On the Dissolution of Platinum: From Fundamental to Advanced Catalytic Materials
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Abstract
The polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) is a promising electrochemical energy conversion device for use in electric vehicles (EVs). Several auto manufacturers have begun production; however, the cost and lifetime of the PEMFC remain a major roadblock to widespread market penetration. Significant cost comes from the use of nanoparticulate platinum dispersed on carbon (Pt/C) as an electrocatalyst in the catalyst layer (CL), necessary to overcome the sluggish kinetics of the oxygen reduction reaction (ORR). To reduce the required quantities of platinum, the catalytic activity towards the ORR must be improved in order to meet performance requirements. Therefore, a great deal of research has been aimed at improving activity towards the ORR. Many strategies now exist, such as shape-controlled nanoparticles, particle size effects, alloying with transition metals and incorporation of ionic liquids with the solid catalyst ionic liquid layer technique (SCILL).
The lifetime of PEMFCs is hindered by the degradation of the CL, in which the two main primary degradation mechanisms have been identified as platinum dissolution and carbon corrosion. Carbon corrosion may be avoided through the use of alternative supports, such as corrosion resistant metal oxides, which have also become a popular topic of research.
The impact on degradation of the above mentioned strategies remains larger unexplored. Specifically, Pt dissolution at low loadings, different particle sizes, with transition metal alloying, ionic liquids (SCILL) and with metal oxide supports present a wide variety of variables to consider on the road to reduced cost and increased lifetime of PEMFCs. Therefore, such systems were studied systematically from fundamental aspects, to state-of-the-art materials to advanced new catalysts.
A systematic approach was used to study the dissolution of platinum, platinum alloys and platinum on metal oxide supports in order to address their stability. First the dissolution of low index Pt facets was studied and facet dependent results emerged, which may be hypothesized to dictate the stability of shape-controlled nanoparticles. A large impact of Pt nanoparticle density (wt. % Pt on carbon) on dissolution was revealed, with low loadings significantly increasing Pt dissolution, suggesting future CL designs must balance reduced loadings with stability concerns. Furthermore, Pt density is directly related to interparticle distance, which drastically impacts the redox behaviour of Pt and must be considered by researchers in future investigations on degradation. Varying particle size showed increased stability for larger particles, indicating a necessary balance between Pt utilization and degradation in CL optimization. Moving to advanced new ORR catalytic materials, using the SCILL on Pt/C decreased Pt dissolution and increased ORR activity, attributed to selective ionic liquid binding on low-coordinated sites, revealing an impressive result. However, advanced experimental materials may introduce unexpected degradation mechanisms. When the SCILL approach was employed for a trimetallic PtNiMo/C alloy system, incorporation of the ionic liquid (IL) caused enhanced dissolution and decreased stability. Investigation of metal oxides supports revealed that not all offer increased stability compared to carbon. For Pt on indium tin oxide, high rates of support dissolution were observed, in comparison to the relatively stable ruthenium titanium oxide. Surprisingly, a unique mode of degradation was uncovered, in which the active Pt nanoparticles become partially encapsulated by the support.
These investigations expose key aspects of the dissolution stability of ORR catalytic materials that may aid in the design of future devices as well as new catalytic materials.
Abstract
Die Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEMFC) stellt eine vielversprechende Antriebstechnologie für elektrische Fahrzeuge (EV) dar. Viele Automobilhersteller haben bereits mit der kommerziellen Produktion dieser elektrochemischen Energiewandler begonnen. Jedoch sind hohe Herstellungskosten sowie begrenzte Lebensdauer der PEMFC nach wie vor Hindernisse, die einer weitreichenden Markteinführung entgegenstehen. Signifikante Kosten entstehen durch die Verwendung von nanopartikulärem Platin, das fein verteilt auf Kohlenstoff (Pt/C) als Katalysatorschicht (CL) zur Anwendung kommt. Als Elektrokatalysator dient es dazu, die träge Kinetik der Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) zu überwinden. Zur Verringerung des Platinbedarfs bei ausreichender Leistung muss die katalytische Aktivität für die ORR optimiert werden. Um die Aktivität von Platin-Katalysatoren im Hinblick auf die ORR zu verbessern, wird aktuell ein enormer Forschungsaufwand betrieben. Gängige Strategien hierzu sind beispielsweise formgesteuerte Nanopartikel, Variation der Partikelgrößen, Legierungen mit Übergangsmetallen und Integration von ionischen Flüssigkeiten (Solid catalyst with Ionic Liquid Layer, SCILL).
Die Lebensdauer von PEMFCs ist hauptsächlich durch Degradation der CL limitiert, wobei die beiden primären Mechanismen Auflösung von Platin und Korrosion von Kohlenstoff sind. Letzteres kann durch die Verwendung alternativer korrosionsbeständiger Trägermaterialien, wie zum Beispiel Metalloxiden, verhindert werden. Diese sind Gegenstand der aktuellen Forschung.
Der Einfluss oben genannter Optimierungsstrategien auf die Degradation der PEMFCs blieb bisher weitestgehend unerforscht. Insbesondere die Auflösung von Pt bei niedrigen Beladungen, in Abhängigkeit der Partikelgröße, in Legierungen, SCILL-Systemen und auf Metalloxidträgermaterialien sind Ansätze, die zur Kostenreduktion und Erhöhung der Lebensdauer von PEMFC beitragen können. Daher wurden die untersuchten Systeme im Rahmen dieser Arbeit nicht nur aus fundamentalen Gesichtspunkten sondern auch unter Berücksichtigung des aktuellen Stands der Technik und komplexerer Katalysatorsysteme gewählt. Stabilität und Auflösungsverhalten solcher Platin basierten Elektrokatalysatoren wurde systematisch analysiert: Zunächst wurde die Auflösung von Pt Einkristalloberflächen mit niedrigen Indizes untersucht. Die Resultate hieraus ergeben möglicherweise Aufschluss über die Stabilität formgesteuerter Nanopartikel. Ein großer Einfluss der Pt Nanopartikeldichte (wt% Pt auf Kohlenstoff) auf die Auflösung wurde aufgedeckt, wobei niedrige Beladungen die Platinauflösung in signifikantem Maße erhöhen. Zukünftige CL Entwicklungen sollten also den Kompromiss zwischen reduzierter Beladung und Stabilität in Betracht ziehen. Darüber hinaus korreliert die Pt Dichte direkt mit den interpartikulären Abständen, die drastische Einflüsse auf das Redoxverhalten von Pt haben und von Forschern bei zukünftigen Degradationsstudien berücksichtigt werden müssen. Der Vergleich unterschiedlicher Partikelgrößen ergab eine erhöhte Stabilität größerer Partikel, was zeigt, dass ein Kompromiss zwischen aktiver Platinoberfläche und dessen Degradation bei Optimierung der CL notwendig ist. Ein weiterer Schritt zu fortgeschrittenen ORR Katalysatoren mit SCILL auf Pt/C verringerte die Auflösung von Pt und vergrößerte die ORR Aktivität, was der selektiven Bindung der ionischen Flüssigkeiten an niedrig koordinierten Zentren zugeschrieben werden kann. Ein beeindruckendes Ergebnis. Jedoch können fortschrittliche katalytische Materialien auch zusätzliche Degradationsmechanismen aufweisen: Die Anwendung des SCILL-Ansatzes auf ein trimetallisch legiertes PtNiMo/C System führte zu einer verringerten Stabilität. Bei der Untersuchung von Metalloxidträgermaterialien zeigte sich, dass nicht alle Materialien eine höhere Stabilität als Kohlenstoff aufweisen. Pt auf Indium dotiertem Zinnoxid wies das Trägermaterial hohe Auflösungsraten im Vergleich zum relativ stabilen Ruthenium-Titanoxid auf. Hier wurde ein einzigartiger Degradationsmodus aufgedeckt, in welchem die aktiven Pt Nanopartikel partiell vom Trägermaterial ummantelt werden.
Diese Untersuchungen legen eine Verständnisgrundlage für die Auflösungsstabilität von Katalysatoren in der ORR, die sowohl für das Design neuer Katalysatoren als auch Brennstoffzellen hilfreich sein können.